JPH0711015B2 - 金属間化合物を主体とする弾性部材の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、金属間化合物を主体とするばね等の弾性部材
とその製造方法に関する。

［従来の技術］ 従来のばね、あるいはばねに類する性質を発揮する弾性
部材の原料は、一般にスチール等の金属あるいはFRP等
の非金属であった。しかし近時は、軽量で耐熱性おび耐
酸化性等の優れた性質をもつ金属間化合物が着目されて
きている。金属間化合物の一例として、TiAl,Ti₃,Al,Al
₃,Ti,Ni₃,Alや、形状記憶効果を有するTiNi等が知られ
ている。TiNiにおいて曲げ加工によるコイルばね製造の
例がみられるが、TiNiは金属間化合物の中では成形性が
良い方であるにもかかわらず、実際の成形にあたっては
複数回の熱処理（軟化焼鈍）が必要であり、金属に比べ
るとはるかにばね成形が困難である。更に他の金属間化
合物においてはばねの実用化は難しいと考えられてい
た。

また、金属間化合物を形成する前に予め成形を行ってお
くことも考えられている。例えば特開昭61-270353号公
報に見られるように、金属間化合物の原料をホットプレ
スしたのちに焼成することによって所望形状の金属間化
合物を得るようにしたものや、特開昭62-70531号公報に
見られるように、金属間化合物の原料を脱気したのちに
所定の成形圧力と温度条件で処理することが提案されて
いる。

［発明が解決しようとする課題］ 上記先行技術のように金属間化合物を形成する前に予め
成形するようにしても、コイルばねのように変形の大き
な曲げ加工が必要な製品を得ることは不可能であった。
その理由は、金属間化合物の原料からなる立体物は、通
常の金属材に比べて金属間化合物を形成する前の状態で
は均一性に乏しく、空孔や欠陥を多く含んでいることが
あるため、変形が不均一になりやすく、しかも大きな曲
げ加工による塑性変形は伸びに耐えられないからであ
る。

従って本発明の目的は、金属間化合物を主体とする所望
形状の弾性部材を問題なく製造できるような製造方法を
提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を果たすために開発された本発明方法は、金属
間化合物を形成する組成比で混合された複数の元素を含
有する原料を得る工程と、上記原料に加圧力を加えるこ
とによって混合圧着体を得る工程と、上記混合圧着体を
内側の型と外側の型によって挟んで局部的に押圧しつつ
この押圧部において上記外側の型を混合圧着体の一端側
から他端側に向かって上記内側の型に沿って相対的に移
動させながら上記混合圧着体を上記押圧部において塑性
変形させてゆくことにより所望形状の成形体を得る工程
と、上記成形体を金属間化合物が形成される温度条件で
処理する工程とを具備している。

弾性部材の例としては、例えば巻ばねや板ばね、トーシ
ョンバー、あるいはばねに類する性質を発揮する部材で
ある。金属間化合物を構成する物質は、少なくとも１つ
の元素が金属であればよい。

上記原料は主として金属材料から構成されている必要が
あるが、一部に金属間化合物を含んでいてもよい。ま
た、ばねとしての諸特性を改善する目的あるいは成形の
容易化を図る目的で、適宜の元素や化合物が添加されて
いてもよい。上記原料は純金属の塊である必要はなく、
固溶体であってもよいし、めっき等によってつくられた
複合体であってもよい。混合前の原料の形態は、粉末，
フレーク状，線材，箔等である。

混合方法および圧着方法は、原料が粉末あるいはフレー
ク状である場合、Ｖ型混合機，ボールミル，ミキサ等に
よって混合したものを押出すか、あるいはホットプレス
またはCIPによって圧着させる。また、混合された上記
原料を金属パイプに詰め、スェージングマシンによって
所定の外径になるまで鍛造するようにしてもよい。

線状原料の場合には、原料の線を束ねるかまたは撚り合
わせたのち、伸線機等を使って線同志を圧着させること
もできる。箔状原料の場合には、箔を厚み方向に積層す
るかあるいは積層後に巻いた状態で、圧延により圧着さ
せることもできる。

上記工程によって得られた混合圧着体は、通常の金属材
料に比べると組織がかなり不均一であり、多くの欠陥や
空孔が内在していることがあるから、そのまま曲げ加工
を行うと変形が局部的に進行する。このため所定の曲率
で曲げることに困難を伴う。

そこで本発明では、例えば芯金およびローラ等からなる
型によって混合圧着体を局部的に押圧するとともに、こ
の押圧部を型に沿って相対的に移動させながら、混合圧
着体を徐々に曲げてゆくことにより、所望形状の成形体
を得るようにしている。

［作用］ 上記のように混合圧着体が成形されるから、混合圧着体
の変形域を充分短くすることができ、しかも変形域の大
部分が拘束された状態で曲げられるので、変形域に割れ
が進行したり、変形が不均一に進行するといった不具合
を生じることなく、混合圧着体を所望の形状に成形する
ことができる。また、曲げと同時に型によって混合圧着
体に圧縮力を付与するため、混合圧着体に内在する空孔
を潰す効果もある。

上記成形工程は冷間で行ってもよいが、成形時の変形抵
抗を減少させるために成形工程を温間で行ってもよい。
温間で成形する場合、金属間化合物が形成される温度以
下であることが好ましいが、組織の一部に金属間化合物
を生じる程度の短時間で成形が終了するなら、金属間化
合物が形成される温度以上の温間で成形を行ってもよ
い。

なお、上記成形工程を実施する前に、成形前熱処理を行
ってもよい。この処理は例えば真空中で行われる焼鈍で
ある。成形前熱処理を実施することにより、混合圧着体
を製造する際に生じた加工歪が除去される。また、成形
時の変形抵抗が減少し、かつ混合圧着体の圧着面が拡散
によって強固なものとなり、強度を向上させることがで
きる。また、この成形前熱処理は、混合圧着体の不純物
成分を拡散または除去する効果もある。成形前熱処理
は、大気中もしくは不活性ガスあるいは真空雰囲気、あ
るいはこれら雰囲気を組合わせて行われる。処理温度は
金属間化合物が形成される温度以下一般的であるが、圧
着面の一部に金属間化合物ができる程度の短時間の加熱
であるなら金属間化合物が形成される温度以上であって
もかまわない。

上記成形工程を経て所望の形状に塑性加工された成形体
は、金属間化合物が形成される温度まで加熱される。こ
の加熱処理によって拡散または自己燃焼焼結を生じ、金
属間化合物が形成される。加熱温度は金属間化合物の固
相線以下の温度域とする。金属間化合物の形成を終わら
せるには上記温度を一定時間維持する必要がある。温度
が低いと時間が長くかかる。また、空孔を減少させる目
的で、成形体を加圧した状態のまま金属間化合物が形成
される温度以上に加熱するようにしてもよい。

金属間化合物が形成されたのちに、必要に応じて化合物
形成後の熱処理を行ってもよい。この熱処理を行うこと
によって、空孔を減少させることができるとともに、組
織の均一化が促進され、更には不純物の拡散もしくは不
純物の除去が図れる。処理温度は、金属間化合物の固相
線以下の温度域とする。この熱処理（金属間化合物形成
後の熱処理）は、大気中で行ってもよいが、不活性ガス
あるいは真空雰囲気中で行えば更に好ましい結果が得ら
れることがある。また、これらの雰囲気を組合わせても
よい。材料によっては適宜の加圧手段で加圧した状態で
この熱処理を実施してもよい。

［実施例］ 以下の本発明の一実施例について、第１図ないし第３図
を参照して説明する。第１図に示す製造工程の一例は、
原料の混合工程１と、混合圧着体の製造工程２と、必要
に応じて行われる成形前熱処理工程３と、成形工程４
と、金属間化合物の形成温度まで加熱する熱処理工程５
と、必要に応じて実施される化合物形成後の熱処理工程
６および仕上げ工程７からなる。

原料の混合工程１において、ガスアトマイズ法により作
製した350メッシュ以下のAl粉末と、350メッシュ以下の
スポンジTi粉末を重量分率でTi:Al＝37.2％:62.8％の割
合で、Arガス置換された乾式ボールミルを用いて混合す
る。

次に、混合圧着体の製造工程２において、上記混合粉末
を外径20mm,肉厚0.5mmのステンレス鋼のパイプに詰め、
ロータリスェージングマシンによって外径8mmまで縮径
加工する。その後、切削加工によって上記パイプを削り
取る。こうして線状の混合圧着体（この場合、圧粉体）
が得られる。上記第１のスェージング加工を行ったの
ち、第２のスェージング加工によって、上記混合圧着体
を外径φ1mmまで縮径させる。なお、上記工程２の後に
焼鈍等の熱処理工程３を実施することにより、混合圧着
体を製造した時の加工歪みを除去するようにしてもよ
い。

成形工程４においては、第２図に示す成形装置10を用い
て混合圧着体Ａのコイリングを行う。この装置10は、内
側の型の一例としての芯金11と、ヘッド12と、外側の一
例としてのローラ13と、チャック14等を備えて構成され
ている。芯金11とヘッド12は互いに軸線方向に接離可能
であるとともに、図示しない駆動機構によって互いに同
一方向に同一回転速度で一体に回転されるようになって
いる。ローラ13は、混合圧着体Ａを芯金11に押付けて徐
々に曲げる力と、所定の圧縮力Ｐを付与する働きをも
つ。

芯金11の外周部には、成形すべきコイルばね成形体1A′
のピッチに応じた螺旋溝15が設けられている。この螺旋
溝15と対向しているローラ13にも溝16が設けられてい
る。これらの溝15,16の幅方向には所望の断面形状が形
成されている。例えば、第２図においては混合圧着体Ａ
の断面を円形とし、溝15,16の断面形状をそれぞれ略半
円形とした例である。溝15,16を省略することもでき
る。

ローラ13は回転自在に設けられているから、混合圧着体
Ａとローラ13との間の摩擦力を小さくすることができ
る。また、混合圧着体Ａを曲げる際に過度の変形が生じ
たり、傷が生じるなどの不具合も抑制することができ
る。また、混合圧着体Ａを曲げながら芯金11を回転させ
るのに要する力も少なくてすむ。

上記成形装置10を用いて混合圧着体Ａのコイリングを行
うには、芯金11とヘッド12を停止させた状態でチャック
14によって混合圧着体Ａの端部を保持する。そしてロー
ラ13によって混合圧着体Ａを芯金11の溝15に押付ける。

芯金11とヘッド12を一体に回転させ、ローラ13と芯金11
との間で混合圧着体Ａを局部的に押圧しつつ、押圧部11
aにおいて混合圧着体Ａを芯金11に沿って曲げる。更
に、ローラ13を螺旋溝15のピッチに応じて芯金11の軸線
方向に移動させ、混合圧着体Ａが螺旋溝15に巻付くよう
に混合圧着体Ａを案内する。

コイリング終了後、ローラ13を芯金11から離すととも
に、チャック14による成形体Ａ′の拘束を解く。そして
ヘッド12を芯金11から分離させるとともに、成形体Ａ′
の外周部を図示しないホルダによって保持し、芯金11を
コイリング時とは逆方向に回転させることによって、コ
イル状成形体Ａ′を芯金11から外す。

上記成形工程４によって得られたコイル状成形体Ａ′
は、熱処理工程５において、第３図に示された加熱装置
20に入れられ、金属間化合物が形成される温度まで加熱
される。この加熱装置20は、硅砂21を満たした耐圧ステ
ンレス鋼製ポット22と、このポット22に内蔵されたコイ
ル状の抵抗発熱体であるカンタルヒータ23と、温度検出
用の熱電対24と、ステンレス鋼製の蓋25と、この蓋25を
加圧する油圧シリンダ等の加圧手段26を備えて構成され
ている。

上記ポット22に収容されたヒータ23の内側に、コイル状
成形体Ａ′をセットし、加圧手段26によって150kgf/cm²
の擬似等方圧をかける。そしてヒータ23によって700℃
まで加熱する。この時のコイル状成形体Ａ′の温度は熱
電対24によって測定される。コイル状成形体Ａ′は上記
温度に加熱されることにより、自己燃焼焼結による金属
間化合物形成の発熱が観測された。なお、HIPやHP等に
よって、ガス，粉体あるいは液体を用いた加圧するか、
あるいは機械的に加圧を行うようにしてもよい。

金属間化合物が形成された後、上記圧力を維持した状態
で成形体Ａ′を900℃に保持し、２時間の熱処理工程６
を行う。この熱処理工程６を行うことによって、成形体
Ａ′に含まれる空孔を減少させることができるととも
に、組織の均一化が促進され、更には不純物の拡散もし
くは不純物の除去が図れる。

以上の一連の工程によって、線径1mm,コイル平均径12m
m、巻数10の金属間化合物を主体とするコイルばねが得
られた。このコイルばねは、Ｘ線解析の結果からAl₃Ti
の金属間化合物からなることがわかった。このコイルば
ねは、700℃にて5mmの圧縮変形を加えたのち除荷しても
元の形状を完全に保っており、良好なばね作用を発揮す
ることが確認された。

なお、上記製造工程を経て得られたコイルばねに、仕上
げ工程７を行ってもよい。例えばバレル加工によってば
ね表面を滑らかなものにする。あるいは機械加工によっ
てばね表面の研磨を行ったり、表面傷，表面層等の除去
あるいは切断，研削加工等により形状の修正を行う。ま
た、ショットピーニングを行うことにより、ばね表層部
に圧縮残留能力を生じさせれば、ばねの耐久性を更に高
めることができる。

なお第４図に示されるような成形装置30を使用して、混
合圧着体Ａを所望の形状に塑性加工してもよい。この成
形装置30は、内側の型の一例としての固定ローラ31と、
ホルダ32に取付けられた外側の型の一例としての可動ロ
ーラ33と、混合圧着体Ａを保持するためのチャック34等
を備えている。可動ローラ33は軸35を中心に自転できる
とともに、軸35を中心に固定ローラ31の回りを公転する
ように構成されている。混合圧着体Ａは一端側がチャッ
ク34によって固定ローラ31に拘束され、可動ローラ33が
図示矢印Ｆ方向に転動することにより、固定ローラ31と
可動ローラ33との間で混合圧着体Ａが局部的に押圧され
る。そして押圧部31aにおいて曲げられることにより、
固定ローラ31の外径に応じた曲率で成形が行われる。

なお第５図に示される成形装置40のように、可動ローラ
33によって混合圧着体Ａに図示矢印P₁方向の加圧力を与
えた状態で可動ローラ33を固定型31の外周方向に転動さ
せることにより、固定型31の外周形状に応じた曲率で成
形するようにしてもよい。

第６図に示された成形装置50は、固定型51と、押さえ部
材52とを備えている。図示例の固定型51は、成形すべき
成形体Ａ′の形状に応じた曲率の非円形状の成形面53を
備えている。押さえ部材52は混合圧着体Ａを固定型51に
押し付ける働きをする。この押さえ部材52は、成形面53
に混合圧着体Ａを押付ける際に、成形面53に沿って混合
圧着体Ａに対する接触点が移動するようになっている。
本発明の製造方法は、上記実施例で示したものに限ら
ず、Ti−Al系以外の他の組成についても適用できる。ま
た、他の金属間化合物を形成する系においても同様であ
る。

なお本発明はコイルばね以外の弾性体を製造する場合に
も同様に適用できる。

［発明の効果］ 本発明によれば、金属間化合物を主体とする弾性部材の
製造方法において、弾性部材の材料である混合圧着体を
所望形状に成形する工程において混合圧着体の変形域を
充分短くすることができ、しかも変形域の大部分が拘束
された状態で曲げられるので、変形域に割れが進行した
り、変形が不均一に進行するといった不具合を生じるこ
となく、混合圧着体を所望の曲率に成形することができ
る。また、曲げと同時に内側の型と外側の型によって混
合圧着体に局部的に圧縮力を付与するため、混合圧着体
に内在する空孔を更に小さく潰す効果もある。このため
コイルばねのように変形の大きな曲げ加工も問題なく行
えるようになり、従来にはなかった金属間化合物を主体
とする弾性部材を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の一実施例を示す工程説明図、第２
図は混合圧着体を成形する装置の斜視図、第３図は加熱
装置の断面図、第４図ないし第６図はそれぞれ混合圧着
体を成形する装置の他の例を示すそれぞれ概略図であ
る。 Ａ……混合圧着体、Ａ′……成形体、10……成形装置、
11……芯金（型）、13……ローラ（型）、20……加熱装
置、23……ヒータ、26……加圧手段、30……成形装置、
31……ローラ（型）、33……ローラ（型）、40,50……
成形装置、51……型、52……押さえ部材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−99425（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−188230（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属間化合物を形成する組成比で混合され
   た複数の元素を含有する原料を得る工程と、上記原料に
   加圧力を加えることによって混合圧着体を得る工程と、
   上記混合圧着体を内側の型と外側の型によって挟んで局
   部的に押圧しつつこの押圧部において上記外側の型を混
   合圧着体の一端側から他端側に向かって上記内側の型に
   沿って相対的に移動させながら上記混合圧着体を上記押
   圧部において塑性変形させてゆくことにより所望形状の
   成形体を得る工程と、上記成形体を金属間化合物が形成
   される温度条件で処理する工程とを具備したことを特徴
   とする金属間化合物を主体とする弾性部材の製造方法。
2. 【請求項２】上記混合圧着体を成形する際に使われる型
   は、上記内側の型としての芯金と、上記外側の型として
   の押さえ部材とを備えており、これら押さえ部材と上記
   芯金との間で上記混合圧着体を局部的に押圧しつつ上記
   押さえ部材を芯金の周方向に相対的に移動させることに
   よって混合圧着体を芯金に沿って曲げることを特徴とす
   る請求項１記載の金属間化合物を主体とする弾性部材の
   製造方法。